Quais são os critérios para escolher entre diferenças finitas e elementos finitos


46

Estou acostumado a pensar nas diferenças finitas como um caso especial de elementos finitos, em uma grade muito restrita. Então, quais são as condições de como escolher entre o Método das Diferenças Finitas (FDM) e o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método numérico?

Do lado do Método das Diferenças Finitas (FDM), pode-se contar que eles são conceitualmente mais simples e fáceis de implementar do que o Método dos Elementos Finitos (MEF). O MEF tem o benefício de ser muito flexível, por exemplo, as grades podem ser muito não uniformes e os domínios podem ter uma forma arbitrária.

O único exemplo que eu sei onde o FDM se mostrou superior ao FEM é em Celia, Bouloutas, Zarba , onde o benefício é devido ao método FD usando uma discretização diferente da derivada de tempo, que, no entanto, poderia ser corrigida para o método dos elementos finitos .

Respostas:


44

É possível escrever métodos de diferenças finitas mais específicos como métodos de elementos finitos de Petrov-Galerkin com alguma opção de reconstrução e quadratura local, e a maioria dos métodos de elementos finitos também pode ser mostrada como sendo algebricamente equivalente a algum método de diferenças finitas. Portanto, devemos escolher um método com base em qual estrutura de análise queremos usar, qual terminologia gostamos, qual sistema de extensibilidade gostamos e como gostaríamos de estruturar o software. As generalizações a seguir se aplicam à grande maioria das variações no uso prático, mas muitos pontos podem ser contornados.

Diferença finita

Prós

  • implementação eficiente sem quadratura
  • independência de relação de aspecto e conservação local para certos esquemas (por exemplo, MAC para fluxo incompressível)
  • métodos não lineares robustos para transporte (por exemplo, ENO / WENO)
  • Matriz M para alguns problemas
  • princípio máximo discreto para alguns problemas (por exemplo, diferenças finitas miméticas)
  • matriz de massa diagonal (geralmente identidade)
  • residual nodal barato permite multigrid não-linear eficiente (FAS)
  • smoothers Vanka em células proporcionam smoothers eficientes e sem matriz para fluxo incompressível

Contras

  • mais difícil de implementar "física"
  • grades escalonadas às vezes são bastante técnicas
  • superior à segunda ordem em redes não estruturadas é difícil
  • ortogonalidade de Galerkin, portanto, a convergência pode ser mais difícil de provar
  • não é um método de Galerkin; portanto, discretização e adjuntos não são comutados (relevantes para otimização e problemas inversos)
  • problemas contínuos auto-adjuntos geralmente produzem matrizes não simétricas
  • A solução é definida apenas em sentido horário; portanto, a reconstrução em locais arbitrários não é definida exclusivamente
  • condições de contorno tendem a ser complicadas de implementar
  • coeficientes descontínuos geralmente tornam os métodos de primeira ordem
  • estêncil cresce se a física incluir "termos cruzados"

Elemento finito

Prós

  • Ortogonalidade de Galerkin (a solução discreta para problemas coercitivos está dentro de uma constante da melhor solução no espaço)
  • flexibilidade geométrica simples
  • Galerkin descontínuo oferece algoritmo de transporte robusto, ordem arbitrária em grades não estruturadas
  • a desigualdade de entropia cellwise que garante estabilidade é independente da malha, dimensão, ordem de precisão e presença de soluções descontínuas, sem a necessidade de limitadores não lineareseu2
  • fácil de implementar condições de contorno
  • pode escolher a declaração de conservação escolhendo o espaço de teste
  • discretização e comutação de comutação (para métodos de Galerkin)
  • base elegante em análise funcional
  • em ordem alta, os kernels locais podem explorar a estrutura do produto tensorial que está faltando no FD
  • A quadratura de Lobatto pode tornar os métodos de conservação de energia (assumindo um integrador de tempo simplético)
  • alta precisão de pedidos, mesmo com coeficientes descontínuos, desde que você possa se alinhar aos limites
  • coeficientes descontínuos dentro dos elementos podem ser acomodados com o XFEM
  • fácil de lidar com várias condições inf-sup

Contras

  • muitos elementos têm problemas na alta proporção
  • O MEF contínuo tem problemas com o transporte (o SUPG é difuso e oscilatório)
  • A DG geralmente possui mais graus de liberdade para a mesma precisão (embora o HDG seja muito melhor)
  • O MEF contínuo não fornece problemas nodais baratos; portanto, as estrias não lineares têm constantes muito mais pobres
  • geralmente mais nonzeros em matrizes montadas
  • é preciso escolher entre matriz de massa consistente (algumas propriedades agradáveis, mas tem inversa total, exigindo uma resolução implícita por etapa de tempo) e matriz de massa agrupada.

3
Essa é uma boa generalização, embora haja contra-exemplos para quase todos os aspectos.
— David Ketcheson

Bom ponto, adicionei uma introdução a esse efeito.
— Jed Brown

3
Eu não conhecia o acrônimo HDG. Para qualquer pessoa que esteja se perguntando sobre isso, significa "Galerkin descontínuo híbrido".
— Akid

21

Essa pergunta pode ser muito ampla para ter uma resposta significativa. A maioria das pessoas que responde apenas conhece alguns subconjuntos de todos os tipos de discretizações de DF e FE que podem ser usadas. Observe que tanto o FD quanto o FE

  • pode ser implementado em grades estruturadas ou não estruturadas (consulte este documento para apenas um exemplo de método FD em uma grade não estruturada)
  • pode ser estendido para uma ordem de precisão arbitrariamente alta (de várias maneiras!)
  • pode ser usado para discretizar no espaço e / ou no tempo , talvez em combinação
  • use funções básicas locais ou globais (as últimas levam a métodos espectrais do tipo FD e FE)
  • pode basear-se em um espaço funcional contínuo ou descontínuo
  • pode ser espacialmente explícito ou implícito
  • pode ser temporalmente explícito ou implícito

Você entendeu a ideia. Obviamente, em uma disciplina específica, os métodos FD e FE que as pessoas comumente implementam e usam podem ter características muito diferentes. Mas isso geralmente não se deve a limitações inerentes às duas abordagens de discretização.

Em relação aos esquemas FD de ordem arbitrariamente alta: os coeficientes dos esquemas FD de alta ordem podem ser gerados automaticamente para qualquer ordem; veja o livro de LeVeque , por exemplo. Os métodos de colocação espectral, que são métodos FD, convergirão mais rapidamente do que qualquer potência do espaçamento da malha; veja o livro de Trefethen , por exemplo.


Interessante. Você tem alguns documentos sobre esquemas de FD arbitrariamente de alta ordem? Eu pensei que era preciso criar manualmente um estêncil de ordem superior para cada ordem.
— Ondřej Čertík

Adicionei mais detalhes acima para responder sua pergunta.
— David Ketcheson

10

Vantagens dos elementos finitos (FE):

  • método variacional (por exemplo, as energias sempre caem com o aumento de "p" na equação de Schroedinger, o que não é verdadeiro para DF)
  • preciso em pedidos altos (p = mais 50)
  • uma vez implementado, é fácil fazer convergência sistemática tanto em "p" quanto em "h" (em vez de ter esquemas especiais de DF para cada pedido)

Vantagens das diferenças finitas (DF):

  • mais fácil de implementar para pedidos inferiores
  • possivelmente mais rápido que o FE para menor precisão

Às vezes, as pessoas dizem que "diferenças finitas" significam um integrador para ODE como Runge-Kutta ou o método Adams. Nesse caso, há outra vantagem do FD:

  • possível resolver ODEs não lineares diretamente

enquanto o FE precisa de alguma iteração não linear como o método de Newton.


10

Várias respostas legais já declararam que os métodos Pros de elementos finitos são flexíveis e poderosos, e aqui vou dar outra vantagem do MEF, do ponto de vista do espaço e geometria diferencial de Sobolev, é que a possibilidade do espaço de elementos finitos herdar a condição de continuidade física do Espaços de Sobolev onde está a verdadeira solução.

Por exemplo, Raviart-Thomas enfrenta o elemento para elasticidade plana e método misto para difusão; Elemento de borda Nédélec para eletromagnetismo computacional.

keu2

HΛk={ω∈Λk:ω∈eu2(Λk),dω∈eu2(Λk)}
d

R3→EudH(grumad,Ω)→∇H(cvocêreu,Ω)→∇×H(dEuv,Ω)→∇⋅eu2(Ω)

o intervalo do operador é o espaço nulo do próximo operador e há muitas propriedades interessantes sobre isso. Se pudéssemos construir um espaço de elementos finitos para herdar essa sequência exata de Rham, o método Galerkin baseado nesse espaço de elementos finitos será seja estável e convergirá para a solução real. E poderíamos obter a propriedade de estabilidade e aproximação do operador de interpolação simplesmente pelo diagrama de comutação da sequência de Rham, além de podermos construir o procedimento de estimativa de erro a posteriori e refino de malha adaptável com base nessa sequência.

Para mais informações, consulte o artigo de Douglas Arnold na Acta Numerica: " Cálculo externo de elementos finitos, técnicas homológicas e aplicações " e um slide que apresenta brevemente a idéia


1
Mais ou menos a mesma coisa pode ser alcançada usando os chamados métodos miméticos de DF.
— David Ketcheson

@ David David Ketcheson Oi, David, bom saber, acho que meu conhecimento sobre FD não é atualizado há anos e parece um pouco com a antiguidade agora.
— Shuhao Cao

7

É importante distinguir entre esquemas espaciais e temporais.

Elementos finitos costumam usar diferenças finitas para integrar termos temporais (por exemplo, Euler explícito, implícito, Crank-Nicholson ou Runga Kutta para difusão transitória) e elementos finitos para discretização espacial.

Elementos finitos se prestam bem a malhas irregulares. Eles podem ser baseados em princípios variacionais, mas geralmente são generalizados usando o método de resíduos ponderados. É fácil desenvolver bibliotecas de elementos que usem diferentes ordens polinomiais e imponham restrições como incompressibilidade usando multiplicadores Lagrange.

Ambas as formulações são o meio para um fim: expressar uma equação diferencial em termos de sistemas de equações e álgebra linear.

Declarações sobre a velocidade de um método em detrimento de outro precisam ser qualificadas, descrevendo o algoritmo. Por exemplo, converter problemas mecânicos como problemas de dinâmica hiperbólica pode dar resultados mais rápidos em alguns casos, porque substituem a decomposição da matriz pela multiplicação e adição.

Admito que sei muito mais sobre métodos de elementos finitos do que diferenças finitas. O FEM está disponível em embalagens comerciais e é amplamente utilizado na indústria e na academia para resolver problemas em mecânica de sólidos e transferência de calor. Acredito que diferenças finitas ou abordagens de volume finito são usadas na dinâmica computacional dos fluidos.


1
Muitas pessoas fazem CFD com o FEM. :)
— Bill Barth

1
Acordado. Admito que não tenho um pressentimento sobre a prevalência de cada técnica agora. Estou baseando minha opinião em uma amostra muito pequena: amigos que fazem CFD trabalham na indústria. Eles estão usando o FD na maior parte.
— Duffymo
Ao utilizar nosso site, você reconhece que leu e compreendeu nossa Política de Cookies e nossa Política de Privacidade.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.